不同供电电压下保持恒定发射功率的ISM发送器

引言

近距离发送器广泛用于ISM频段，例如：欧洲的433.05MHz至434.79MHz、美国的260MHz至470MHz，以及亚洲部分地区的类似频率范围。大多数此类应用要求采用电池供电(汽车钥匙、车库门遥控器、安全报警传感器等)。

电池电压随着使用时间而下降，进而降低了大多数低端发送器的发射功率，因为许多近距离发送器为了获得最佳效率而采用开关放大器，例如《高效率﹑低成本ISM频段发送器中的功放》)，而开关放大器的发射功率随着供电电压的下降而下降，近似与电源电压的平方成正比。这意味着电池电压在其寿命内从3V降至1.8V时，电池供电发送器的发射功率也下降到最初功率的35%。实际上，还会存在4dB至5dB的传输功率损耗。

本应用笔记介绍的方案将高效率升压或boost转换器(MAX1947)与ISM发送器(MAX1472)相结合，使得整个电池供电期间保持恒定的发射功率(变化小于0.5dB)。这种配置对电池寿命的影响不会超过15%。测试结果表明，电压转换器产生的交流电压纹波不会降低幅移键控(ASK)数据链路的质量，并且仍然满足美国和欧盟关于近距离无线通信链路的无线辐射标准。

评估

评估目标为：

• 确定发送器在增加电压转换器后是否能够在电池电压的典型工作范围内保持恒定的发射功率。
• 确定电压转换器对发送器系统的总体效率的影响。
• 测试恒功率发射与电池寿命之间的平衡。
• 测量电压转换器交流纹波对无线通信链路质量的影响。

利用发送器和电压转换器的评估板(EV)构建并测量恒功率发射器及其效率水平，所采用的发送器为MAX1472，工作在300MHz至450MHz频率范围。其供电电压范围为2.1V至3.6V，典型发射功率为10mW或+10dBm，电压为2.7V时的耗流10mA。测试时，工作频率为433.92MHz，欧洲和美国均开发该频率。系统使用的电压转换器为MAX1947升压型DC-DC转换器，输入(电池)电压范围为0.7V至3.6V。转换器采用外部电感和电容，通过内部开关为电感充电，然后将能量传递至电容和负载电阻。MAX1947具有工厂预设的输出电压：1.8V、2.5V、3.0V和3.3V。测量中使用MAX1947ETA33 (3.3V输出)。如果输入电压高于输出电压，MAX1947将自动连通电池电压，无影响。

改造MAX1472EVKIT，更改其天线匹配网络中的无源元件，利用3.3V电压产生+10dBm发射功率。仅对MAX1947EVKIT进行一项简单改造：用3.3V输出IC代替评估板的标称1.8V输出IC。连接评估板，MAX1947的输入电压(代表电池电压)由实验室电源提供，串联一个电流表。除电压和电流测量外，利用示波器、功率计和频谱分析仪采集数据。

除以上评估板组合外，使用另外两个Maxim发射器评估板作为性能对比的参考：MAX1472标准评估板，2.7V供电时产生+10dBm发射功率；MAX7060EVKIT频率、功率可调节发射器，其发射功率可通过SPI总线设置。

第一组试验中，测量四组不同发送器配置的电压、电流和发射功率。绘制功率、电源电流与电压之间的关系曲线，计算效率，并评估对电池寿命的影响。

第二组试验中，MAX1472发送器从MAX1947消耗功率时，利用示波器记录MAX1947输出电源的纹波电压。

第三组试验中，在预期输入(电池)电压工作范围内，记录MAX1472发送的RF信号频谱。利用MAX7033EVKIT ASK接收器建立ASK无线通信链路，以确定电压转换器纹波对链路性能的影响。

结果汇总

发送器功率与电池电压的关系

对四种功率放大器(PA)进行比较，对比它们以最低电流损耗维持稳定发射功率输出的能力。电池放电时，供电电流会随着电池电压的变化而发生变化，通过计算100%占空比下典型电池(或一组电池)的工作寿命估算所配置的耗流。

配置条件：MAX1472配置为+10dBm Tx功率，2.7V供电。

由于该配置为MAX1472EVKIT的标准配置，典型数据已由MAX1472数据资料的典型工作特性(TOC)给出，所以未对该配置进行测量。相应电池(电源)电压下的性能参见表1。

表1. MAX1472的Tx功率、电流与电压的关系，2.7V下+10dBm发射功率

表1所示发射功率随电池电压变化，利用DC-DC转换器可解决这一问题。电池电压从3.6V下降至2.1V (分别对应于MAX1472供电电压的最大值和最小值)，发射功率下降5.6dB。在供电电压的中间值提供+10dBm Tx功率，所以，新电池供电时发射功率过大；而当电池接近耗尽时，则存在发射功率不足的情况。

利用DC-DC转换器保持恒定发射功率

本项研究证明，可将升压或boost转换器与标准Maxim发送器相结合，实现+10dBm固定发射功率。所选择的升压转换器为MAX1947，工厂预置3.3V输出。所以，便携设备中最常用的两种电池(CR2032纽扣电池、两节AAA电池串联)的电压将低于转换器的输出电压。如果电池电压超过3.3V，MAX1947则简单地将电池电压切换到输出端。

MAX1472发射功率+10dBm，3.3V供电

由于加至MAX1472发送器的电源电压为3.3V，必须更改MAX1472EVKIT的匹配网络，以产生+10dBm发射信号。表1表明，标准配置产生的发射功率高达+12.2dBm，耗流过大。图1所示为433MHz评估板在2.7V供电、+10dBm发射功率下的匹配元件值，以及更改后实现3.3V供电下+10dBm发射功率的元件值。

图1. 2.7V和3.3V供电时，MAX1472的匹配网络。

表2格式与表1相同，但显示的是3.3V供电、+10dBm发射功率配置下的功率、电流损耗与电源电压的关系。

表2. MAX1472的Tx功率、电流损耗与电压的关系，3.3V供电、+10dBm发射功率配置

表2表明，采用新的匹配网络后，3.3V电压下产生9.4dBm发射功率，略低于+10dBm目标值，但足够用于电路分析。可进一步调节匹配网络元件值，以增大发射功率，并更好地抑制434MHz载波的二次和三次谐波。为满足欧盟辐射规范，至少需要46dB谐波抑制；正确选择元件值，图1所示电路拓扑可达到这一目的。

注意，不同电源电压下的耗流均低于2.7V匹配网络下的耗流，此外，2.1V时的发射功率为+5.2dBm，2.7V配置网络中发射功率为+7.4dBm。电池电压从3.6V下降至2.1V时，发射功率下降5dB。

MAX1472配置工作在3.3V，MAX1947升压转换器供电

利用每个器件的评估板，可以很容易地对MAX1472和MAX1947组合进行功能测试。为识别信号名称并说明连接，图2给出了两个评估板的原理图，从连接图片(图3)可以看出两个评估板的连接非常简单。

图2. MAX1472和MAX1947评估板原理图。

图3. MAX1472和MAX1947评估板的实验室设置。

MAX1947可以将低至0.7V的直流电压提升到3.3V输出。因此，表3中的数据从低达1.8V输入电压开始(这是常用电池配置的最低可用电压)。这种配置为使用MAX1472发送器提供了一项额外好处：电池电压的有效范围从2.1V扩展至最低1.8V。

表3. MAX1472与MAX1947升压转换器相结合时，Tx功率、电流损耗与电压的关系

使用MAX7060实现恒定Tx功率

利用MAX7060，Maxim 300MHz至450MHz发送器用户可将电源电压范围内的发射功率保持在恒定值。MAX7060为可编程发送器，通过SPI或引脚更改发射频率、发射功率，以及调制特性。通过设计合适的匹配网络、选择单功率设置，就有可能保持极小的发射功率变化或者没有不变化。

有人可能会问，为什么使用另外一款Maxim发送器来实现恒功率发射？答案很简单：因为MAX7060支持高级性能应用，例如频率捷变、频繁的功率调节，以及精确设置功率(+13dBm与+10dBm)。功能更强大的MAX7060与更简单的MAX1472之间的平衡是总耗流。MAX7060比MAX1472的功能更多、性能更好，但功耗更大。所以，MAX7060最好用于电源更密度更高、更可靠的应用。这从另一方面表明，为MAX1472增加简单的恒功率发射电路非常重要。

从MAX7060的发射功率、电流损耗随电池电压的变化关系可以看出：在低发射功率变化与高电流损耗之间达到较好折中的参考点。四种放大器配置(MAX1472匹配于2.7V、MAX1472匹配于3.3V、MAX1472和MAX1947相配合，以及MAX7060)的测试给出了性能差异。

表4格式与表1、表2和表3相同。表中将MAX7060的发射功率、电流损耗作为电池电压的函数列出。MAX7060的Tx功率设置固定在最大功率以下2dB。该设置保证电池从2.4升至3.6V时，功率接近恒定(下降1dB以内)，电压下降至2.1V时，额外损失1dB。

表4. MAX7060的Tx功率、电流损耗与电压的关系，2.7V供电配置

发射功率与负载电流变动的比较

图4和图5所示为上述4个表格中Tx功率、电流损耗的信息。显而易见，在电源电压范围内，MAX7060以及MAX1472和MAX1947组合的Tx功率变动最小。由于MAX1947可工作在1.8V，MAX1472和MAX1947数据扩展至最低1.8V。

图4. 四种发送器配置的发射功率与电池电压的关系。

图5. 四种发送器配置下电流损耗与电池电压的关系。

从图5可以看出：为保证发射功率恒定，将会增大电流损耗。MAX7060耗流最大，部分原因是器件的Tx功率较高。匹配在3.3V的MAX1472具有最低电流损耗(随电池电压变化)；3.3V或更高电压时，其耗流与MAX1472+MAX1947组合电路相同，因为MAX1947转换器直接旁路电源电压，仅需极小耗流。相关的电流损耗曲线是匹配在2.7V的MAX1472与MAX1472+MAX1947。两种架构在2.7V时(电池电压范围的中段)提供+10dBm的Tx功率，2.7V电源电流几乎完全相同。但“标准配置”发送器(2.7V下发射功率+10dBm的MAX1472)的负载电流随电池电压的升高而增大，但恒定功率发送器(MAX1472+MAX1947组合)的负载电流随电池电压的升高而增大。这种结果意味着两种方法的电池寿命接近。

电池寿命示例：采用两节AAA电池供电时三种发送器配置的测试

以Energizer® E92 AAA碱性电池为例，结合上述发送器配置的电流损耗信息。目的是比较不同配置对电池寿命的影响。该AAA电池的容量在25mA稳定电流下约为1200mAh，稳定电流大于100mA时，容量减小至不足1000mAh。电池厂家按照行业标准使用模式曲线测试结果表示每一指标，如图6所示。

图6. Energizer E92 AAA电池的行业标准电池寿命测试数据。

采用这种电池电压随时间变化的关系曲线有两个益处：首先，测试中的电流损耗均高于Maxim ISMRF发送器的典型工作电流(5mA至20mA)。虽然如此，Tape-Game数字音频测试的电流损耗为100mA，每天一个小时。一个小时的大电流损耗折算到低占空比的电流损耗，每天的平均电流略高于4mA。电池电压随时间变化的曲线与稳定的10mA耗流曲线基本相同。

另一好处是，水平轴上的一小时等效于100mAh容量(图6和图7)。所以，可将水平轴重新标注为已使用的电池容量，为电池电压的函数。例如，电池电压从1.5V下降至1.4V时，消耗的容量大约为75mAh。电压下降至1.0V时，消耗的容量大约为975mAh。

图7. 已消耗电池容量与电压电压的关系曲线。

利用以上信息，结合图5和表1至表4所示每种接收器配置下的电池电流与电池电压的关系，得到表5和表6，均相对于电池电压的变化。

表5. 按电压范围给出的可用电池容量，两节AAA电池

表6. 按电压范围给出的发送器电流损耗，三种Tx配置

表5假设两节AAA电池串联，电压范围翻倍，维持相同的电池特性。表格第二栏按照图7分布将总电池容量1050mAh分为多个区间，每区间0.3V，电池电压范围从3.0V至1.8V。对于计算电池寿命非常重要的是最右侧一栏中的递增容量。表6耗流信息与表1、3和4相同，但每个电压范围的电流是该范围内高、低压处电流的平均值。

现在，将每0.3V范围的递增电容容量除以该电压范围的耗流(mAh/mA = h = 小时)，将小时数相加，即可计算每种发送器配置在其电压范围内的电池寿命。计算结果如表7至10所示。

表7. 三种发送器配置的电池寿命比较

表7非常关键，对于每个300 mV的电池电压区间，该表格将每种配置的耗流转换为电池电压下降到该区间时所能增加的电池工作寿命。该信息用于比较有效的电池寿命。以下给出三个例子，前两个例子根据每种配置维持最小发射功率的能力定义有效电池范围。最后一个例子取消最小发射功率限制，比较每种配置达到其最小工作电压所需的小时数。

比较电池工作寿命之前，需要指出的是，这些例子中计算的电池工作小时数仅用于比较。由于这些数据来自表7，基于每天一小时、耗流100mA，远远低于这些配置在典型工作条件下的寿命。基于这些发送器的产品，更切合实际的工作条件是工作电流10mA至15mA，每天30秒(例如遥控无钥匙进入、车库门遥控器和安全报警传感器)，待机耗流大约为5μA。根据待机电流的不同，以下计算的工作小时数可能增大500至1000倍。

+10dBm (最小)发射功率下的电池寿命

图4所示发送器的功率曲线表明，表7所示的标准配置中，MAX1472直接连接至电池，2.7V下发射功率为+10dBm，电池电压下降至2.7V以下时不能达到+10dBm发射功率。图4也说明，MAX7060配置可维持+10dBm发射功率，直到电池电压下降至2.4V以下。所以，表8对表7加以整理，表明MAX1472+MAX1947组合的有效电池寿命为87小时，而MAX7060为31.75小时，独立的MAX1472工作时间为9.85小时。

表8. +10 dBm最小Tx功率下的电池寿命比较

+9dBm (最小)发射功率下的电池寿命

表9所示为最小发射功率允许降至+9dBm时的电池寿命比较。MAX1472直接连接至电池时，可工作在最低2.4V电压，可将电池的有效工作时间延长至47.9小时。MAX7060可工作在最低2.1V (即最小工作电压)，将电池寿命提高至66.78小时。两种配置都没有达到MAX1472 + MAX1947组合的87小时。

表9. +9dBm最小Tx功率下的电池寿命比较

最低电源电压下的电池寿命比较

表10表明，取消所有发射功率限制后，MAX1472直接连接至电池时，电池寿命最长可达102.77小时。而在其供电电压下限时，其Tx功率下降至+8dBm以下。MAX1472 + MAX1947组合的电池寿命为87小时，为独立MAX1472架构寿命的85%。MAX7060可维持至少+9dBm发送器功率，但电池寿命只有66.78小时(约为MAX1472+MAX1947组合的77%)，因为器件设计用于较高Tx功率，实现恒定Tx功率的效率较低。

表10. 整个电池电压范围内的电池寿命比较

这些测量结果表明，为简单ISM发送器(例如MAX1472)增加升压转换器后，可在较宽的电池电压范围内维持恒定的发射功率(0.5dB以内)，相对于简单的MAX1472发送器，电池寿命仅缩短15%，而后者在电池工作期间的Tx功率将下降4dB。由于这些发送器在大多数应用中的工作占空比非常低，器件的待机电流对电池寿命影响很显著，所以，对电池寿命的影响更小。

结果：电源纹波和ASK无线通信链路的质量

到目前为止，我们只是分析了直流损耗与Tx功率之间的折中考虑。将高效(> 80%)升压转换器与严格匹配的发送器相结合，在电池有效工作范围内可产生恒定的发射功率，平均电流损耗略高，但这并不意外。电压转换器产生的交流纹波对发送信号质量和ASK通信链路完整性的影响也同样重要。

这里采用的DC-DC转换器为升压或boost转换器，转换器的外部电感从电池吸收电流，然后，将电感储能传递给并联的滤波电容负载。开关频率和占空比取决于电感、电容和耗流。高效率(> 80%) DC-DC转换器的种类繁多，与较低效率的线性稳压器相比，具有较高的交流纹波。

下面测试纹波特性(VP-P和频率)，确定其对发送信号的影响。

3.3V发送器电源电压纹波与输入(电池)电压的关系

将MAX1947ET33 (3.3V输出电源电压)连接至MAX1472EVKIT，如图3所示。MAX1947的输入电压在1.8V至3.3V之间变动(3.3V以上时，MAX1947只是接通输入电压)。示波器探头连接至MAX1947EVKIT的OUT测试点，记录不同电源(VBATT)设置下的纹波特性。表11所示为纹波的峰-峰值和周期，纹波为锯齿波，是采用门限反馈的迟滞转换器的特性，而非占空比控制转换器。

表11. MAX1947输出电压的交流纹波特性，负载为MAX1472发送器

输入电压增大时，纹波幅值从大约75mV升高至150mV；频率从大约20kHz下降至5kHz。通过更改负载电容，可减小纹波幅值。图8和图9所示为1.8V和3.0V (对应于最高和最低升压比)电池电压下的纹波。

图8. 1.8V转换至3.3V时的DC-DC输出纹波电压。

图9. 3.0V转换至3.3V时的DC-DC输出纹波电压。
 

发送器直流电源上的纹波对无线通信链路具有两个潜在危害：第一，扩散发射频谱；第二，纹波从电源耦合到接收器的ASK解调频谱。

未调制载波的频谱

利用频谱分析仪观察表11不同纹波条件下未调制载波的频谱。距离载频最远50kHz处，可以观察到纹波的影响，但不明显。距离载频超过100kHz时，对载波没有影响，这一结论与纹波频率和幅值一致。3.3V电源上存在100mVP-P纹波时似乎非常严重，但纹波的对应功率比载波功率低30dB，等效于在载波上叠加了微弱的AM信号。实际上，纹波的确增大了载波的噪声频谱，但相应的信号强度非常小，发生在接近载频的频率时，不会超出杂散辐射限制。最大增量发生在2.4V输入电池电压，此时，相对于3.3V以上电池电压(没有DC-DC转换器)，载频±100kHz内的噪声谱增大6dB。图10和图11所示是电池电压为2.4V (最差频谱影响)和3.4V (无纹波、无频谱影响)时，未调制载波的频谱。

图10. 发送的连续波频谱，电池电压 = 2.4V。

图11. 发送的连续波频谱，电池电压 = 3.4V。

接收器中的ASK解调

通过两种测量，可看出对ASK解调信号的影响。一种是频谱分析仪的零扫描曲线，此时频谱分析仪作为功率检测器，在解调信号上看到小的纹波并不奇怪。另一种测量是MAX7033 ASK接收器评估板的解调信号。在实验室建立MAX1472EVKIT与MAX7033EVKIT的简单通信链路，评估板上均未安装天线。评估板之间的相互耦合(极可能是辐射功率通过测试设备耦合)产生的信号恰好高于接收器灵敏度。解调2kHz方波信号经过评估板的标准数据滤波器，示波器测试结果表明没有纹波，因为数据滤波器将其抑制掉。图12所示为频谱分析仪测试的检波信号的纹波，图13所示为示波器测试的已滤波解调信号。

图12. 频谱分析仪接收到的MAX1472恒功率ASK信号。

图13. MAX7033接收的MAX1472恒功率ASK信号。

这些测试表明，即使电源纹波最严重(100mVP-P)的情况下，也不会扩散或增大发射信号的频谱，也不会降低接近灵敏度水平信号的接收性能。虽然不能在接近灵敏度水平处进行测量，但很显然，适当的数据滤波有助于防止纹波造成对灵敏度的影响。

结论和建议

MAX1472发送器和MAX1947升压转换器相组合能够实现在电池电压供电范围内保持恒定的发射功率。如果要求最小发射功率为+10dBm，MAX1472和MAX1947组合后，电池的有效工作时间比简单发送器的电池寿命几乎长9倍。即使最小发送功率允许降至+9dBm，有效电池寿命也几乎翻倍。

与简单发送器相比，这种组合的效率为大约85%，而前者发射功率在电池的有效工作电压范围内下降4dB。显而易见，就参数发射功率与直流功率之比而言，带有升压转换器的发射效率是不带转换器效率的85%；就电池的工作寿命而言，与允许发射功率随电池电压变化的情况相比，恒功率发射的电池寿命降至85%。

如果发射功率在电池工作期间保持恒定非常重要，则最多损失15%的电池寿命。而实际应用中，由于大多数便携产品的发射器工作的占空比很低，待机电流将是影响电池寿命，由此，损失将小于15%。

交流纹波是高效电压转换器产生的附属品，使发送器的输出频谱变差，但不足以造成ASK无线通信链路变差，也不会超出FCC(美国)或ETSI(欧洲)的辐射限制。此外，可使用其它交流纹波幅值低得多的高效电压转换器，对大多数近距离无线通信链路的频谱影响不明显。

现在，可使用双芯片方案，采用本文介绍的器件或类似器件。两个器件的占位面积很小(3mm x 3mm)，将电压转换器增加到当前的发送器电路仅需增加3个外部元件。可将这两片功能器件组合至单片IC，进一步降低成本、面积和元件数量。 

本文来源于Maxim。

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